Устройство для включения-выключения электрического тока

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Глеб Леонид Константинович(57) 1. Устройство для включения-выключения электрического тока, содержащее, размещенные в корпусе токоподводящие электроды-магнитопроводы, средство наложения магнитного поля, наполняющую среду, отличающееся тем, что в качестве наполняющей среды использована анизотропная поляризуемая токопроводящая среда. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анизотропная поляризуемая токопроводящая среда содержит дисперсную фазу и дисперсионную среду. 3. Устройство по любому из пп. 1-2, отличающееся тем, что дисперсная фаза и дисперсионная среда использована при следующем содержании компонентов, мас.дисперсная фаза 3,080,0 дисперсионная среда 10,096,0. 3. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что анизотропная поляризуемая токопроводящая среда дополнительно содержит антисидементационные добавки. 4. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что дисперсная фаза содержит токопроводящие частицы ферромагнитные на основе частиц железа и/или никеля, и/или других электропроводных магниточувствительных материалов, металлов и их сплавов, а дисперсионная среда содержит полимеры и/или органические углеводороды, и/или фторуглероды, и/или кремнийуглероды. Фиг. 1 5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что токоподводящие электроды-магнитопроводы выполнены в виде, по меньшей мере, одной пары токопроводящих элементов, расположенных в параллельных плоскостях, между которыми размещена наполняющая среда. 6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью его ориентации относительно токопроводящих элементов в диапазоне 0-90. 3667. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью изменения скорости наложения магнитного поля на наполняющую среду. 8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью изменения напряженности магнитного поля. 9. Устройство по любому из пп. 1, 6-8, отличающееся тем, что средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью переключения путем воздействия на наполняющую среду монополярностью или разнополярностью магнитного поля.(56) 1. Хольм Р. Электрические контакты. - М. Иностранная литература, 1961. - . 45-48. 2. Патент 5969928, Н 02 Н 5/04, 1999. 3. Рагульскис К.М. Вибротехника-9 Проспект разработок. - Каунас, 82.01.20. - С. 38-39 (прототип). Полезная модель относится к области электрических коммутационных устройств, в частности, может быть использована для переключения или выключения сильных и слабых токов, а также для включения потребителей с индуктивной нагрузкой. Известны устройства для включения-выключения электрического тока, содержащие размещенные в корпусе токоподводящие электроды 1. Известные устройства работоспособны до 1000 переключения выключателя при изменении силы тока до 50 А. Однако при воздействии импульсных механических нагрузок на известные устройства наблюдается их преждевременное срабатывание, что приводит машины пользователя к аварийным ситуациям. Кроме того,момент включения-выключения сопровождается возникновением дугового разряда между контактами токоподводящих электродов и это требует особых средств защиты межэлектродного промежутка выключателя тока при его использовании во взрывоопасных средах. Известно устройство выключателей тока, содержащие корпус, в котором смонтированы контактные группы на основе электрореологических полимерных сред 2. Известные устройства срабатывают в режиме включение-выключение при воздействие внешнего температурного поля и обладают значительной инерционностью, что ограничивает их применение. В качестве прототипа принято устройство магнитоуправляемого контакта для включения-выключения электрического тока, герконового переключателя, содержащее размещенные в герметизированном корпусе токоподводящие электроды-магнитопроводы, средство наложения магнитного поля, наполняющая среда, в качестве которой используют вакуум или инертные газы 3. Известное устройство вследствие кинематики его конструкции частично снижает механический дребезг контактной группы. В известном устройстве, как и в вышеупомянутых, момент включения-выключения так же характеризуется возникновением дугового разряда между контактами токоподводящих электродов вследствие инерционности размыкания электроконтактов, что требует особых средств защиты межэлектродного промежутка выключателя тока. В основу полезной модели положена задача создания устройства выключателя тока с возможностью исключения электрического дребезга, образования электрической дуги, возможностью управления электропроводностью,повышения вибростойкости и миниатюризации устройства. Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для включения-выключения электрического тока, содержащем размещенные в корпусе токоподводящие электроды-магнитопроводы, средство наложения магнитного поля,наполняющую среду, согласно полезной модели, в качестве наполняющей среды использована анизотропная поляризуемая токопроводящая среда в устройстве анизотропная поляризуемая токопроводящая среда содержит дисперсную фазу, дисперсионную среду при следующем содержании компонентов, мас.дисперсную фазу 3,080,0 дисперсионную среду 10,096,0 в устройстве анизотропная поляризуемая токопроводящая среда дополнительно содержит антисидементационные добавки в устройстве дисперсная фаза содержит токопроводящие частицы ферромагнитные на основе частиц железа и/или никеля, и/или других электропроводных магниточувствительных материалов, металлов и их сплавов, а дисперсионная среда содержит полимеры и/или органические углеводороды, преимущественно, минеральные и органические масла и/или фторуглероды, преимущественно, фреоны и/или кремнийуглероды в устройстве токоподводящие электроды-магнитопроводы выполнены в виде, по меньшей мере одной пары токопроводящих элементов, расположенных в параллельных плоскостях, между которыми размещена наполняющая среда 2 366 в устройстве средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью его ориентации относительно токопроводящих элементов в диапазоне 0-90 в устройстве средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью изменения скорости наложения магнитного поля на наполняющую среду в устройстве средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью изменения напряженности магнитного поля в устройстве средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью переключения путем воздействия на наполняющую среду монополярностью или разнополярностью магнитного поля. Совокупность необходимых и достаточных признаков, характеризующих полезную модель, по данным источников патентной и научно-технической литературы неизвестна, следовательно, заявленный объект соответствует критерию новизна. Испытания рабочего макета полезной модели в условиях, приближенных к промышленным, показывают, что он удовлетворяет требованиям потребителя и, следовательно, соответствует критерию промышленная применимость. Для лучшего понимания полезной модели она поясняется чертежом, где фиг. 1 - общий вид устройства при наложении магнитного поля на анизотропную поляризуемую токопроводящую среду фиг. 2 - вид устройства, при котором средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью его ориентации относительно токопроводящих элементов в диапазоне 0, при этом ток нагрузки имеет максимальное значение, ячейка включена фиг. 3 - вид устройства, при котором средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью его ориентации относительно токопроводящих элементов в диапазоне 90, ток нагрузки равен нулевому значению, ячейка отключена фиг. 4 - вид устройства, при котором средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью переключения путем воздействия на наполняющую среду разнополярностью, при этом ток нагрузки имеет максимальное значение, ячейка включена фиг. 5 - вид устройства, при котором средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью переключения путем воздействия на наполняющую среду монополярностью (- -), ток нагрузки равен нулевому значению, ячейка отключена фиг. 6 - вид устройства, при котором средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью изменения скорости наложения магнитного поля на наполняющую среду или средство наложения магнитного поля может быть выполнено с возможностью изменения напряженности магнитного поля путем воздействия управляющим сигналом по заданному закону фиг. 7 - графическое изображение момента размыкания устройства по прототипу на индуктивной нагрузке в системе координат напряжение электрического импульса - временной интервал фиг. 8 - графическое изображение момента размыкания устройства полезной модели на индуктивной нагрузке в системе координат напряжение электрического импульса - временной интервал фиг. 9 - графическая зависимость электропроводности и тока ячейки от индукции магнитного поля. На фиг. 1 показан общий вид устройства для включения-выключения электрического тока, содержащего размещенные в немагнитном неэлектропроводном корпусе 1 наполняющую токопроводящую среду 2, токоподводящие электроды-магнитопроводы 3, средство - наложения магнитного поля, средство 4 по фиг. 6 для преобразования управляющего сигнала, например, от персонального компьютера ПК в магнитное поле средства -. Токоподводящие электроды-магнитопроводы 3 электрически связаны с нагрузкой н и источником н подачи напряжения. При включении средства - наложения магнитного поля на токоподводящие электроды-магнитопроводы 3 через устройство течет электрический ток н. В качестве наполняющей среды 2 использована, например, анизотропная поляризуемая токопроводящая среда, которая представляет собой магнитореологическую жидкость, МРЖ. Магнитореологическая жидкость МРЖ является неколлоидной суспензией токопроводящих ферромагнитных частиц, например, на основе частиц железа, никеля и других электропроводных магниточувствительных материалов, металлов и их сплавов в порошковой форме или иной другой форме с размером частиц в пределах от 1-103 мкм в текучей дисперсной среде. В качестве текучей дисперсной среды использована может быть среда на основе минеральных и органических масел, полимеров, органических углеводородов,например минеральных и органических масел, фторуглеродов, в т.ч. фреонов, кремнийуглеродов. МРЖ представляет собой материал, в котором под действием магнитного поля происходят обратимые анизотропные изменения микро- и макроструктуры и, как следствие, изменение реологических и электрических параметров. Количественные изменения в свойствах зависят от состава жидкости (например, от концентрации магнитных частиц). Магнитное поле позволяет легко управлять ее параметрами. В качестве наполняющей среды 2 использована, например, анизотропная поляризуемая токопроводящая среда, которая представляет собой магнитореологическую жидкость в виде неколлоидной суспензии ферромагнитных частиц в текучей дисперсной среде. Она представляет собой материал, в котором под действием 3 366 магнитного поля происходят обратимые анизотропные изменения микроструктуры и, как следствие, изменение реологических и электрических параметров. Количественныеизменения в свойствах зависят от состава жидкости (например, от концентрации магнитных частиц). Магнитное поле позволяет легко управлять ее параметрами. МРЖ структурно может содержать дисперсную фазу (частицы ферромагнитные на основе частиц железа, никеля и других электропроводных магниточувствительных материалов, металлов и их сплавов), дисперсионную среду в виде минеральных и органических масел, полимеров, органических углеводородов, антисидементационных добавок при следующем содержании компонентов, мас.дисперсную фазу 3,080,0 дисперсионную среду 10,096,0 антисидементационные добавки остальное. В устройстве по фиг. 1-6 токоподводящие электроды-магнитопроводы 3 могут быть выполнены в виде,по меньшей мере, одной пары токопроводящих элементов, расположенных в параллельных плоскостях, между которыми размещена наполняющая среда 2. Средство - наложения магнитного поля выполнено по фиг. 2-3 с возможностью его ориентации относительно токопроводящих элементов 3 в диапазоне 0-90, что расширяет технологические возможности использования устройства. Средство - наложения магнитного поля по фиг. 6 может быть выполнено с возможностью изменения скорости наложения магнитного поля на наполняющую среду и с возможностью изменения напряженности магнитного поля. Средство - наложения магнитного поля по фиг. 4-5 может быть выполнено с возможностью переключения путем воздействия на наполняющую среду монополярностью или разнополярностью магнитного поля. Работу устройства осуществляют, используя принцип магнитореологической коммутации наполняющей среды 2 МРЖ, путем использования управления электропроводности МРЖ - концентрированной суспензией проводящих магниточувствительных частиц в непроводящей несущей среде за счет наложения магнитного поля средством -, изменяющего ориентацию частиц в зависимости от направления магнитного поля. Эта суспензия помещается в зазор, образованный контактной парой токоподводящих электродовмагнитопроводов 3, которые одновременно являются продолжением полюсов электродов-магнитопроводов 3. При наложении магнитного поля средством - частицы суспензии, взаимодействуя между собой, образуют цепочки контактных пар проводящих частиц, которые замыкают или размыкают электрическую цепь,включенную последовательно с электродами-магнитопроводами 3. Поскольку количество цепочек, проходящих через единицу поверхности, перпендикулярной направлению магнитных силовых линий, зависит от напряженности магнитного поля, а величина электропроводности одной цепочки, которая зависит от ее длины,постоянна, то меняется общая электропроводность контактной пары за счет параллельного включения дополнительных цепей. Скорость возникновения новых цепочек определяется скоростью изменения напряженности магнитного поля. Тем самым достигаются новые качества устройства переключателя - электрическая цепь размыкается не мгновенно, как при использовании известных переключателей, а с некоторой скоростью, зависящей от скорости изменения магнитного поля в контактной паре, что позволяет исключить возникновения ЭДС самоиндукции, а следовательно, условий возникновения электрической дуги в контактной паре. При использовании заявленного устройства с магнитоуправляемой суспензией электрическая цепь замыкается не одним элементом, а совокупным действием многих частиц небольшой массы и без упругих элементов, поэтому условия возникновения дребезга не возникают. Вибрационные силы, действующие на отдельные частицы, очень невелики, в силу ее ничтожной массы (10-3 мг), поэтому не могут оказать существенное влияние на размыкание электрической цепи. Малая масса контактных пар позволяет масштабировать устройство от микро- до макроразмеров. В известных механических коммутационных устройствах содержатся достаточно массивные компоненты. При замыкании электрической цепи происходит механический удар и за счет упругих элементов электрических контактов возникают колебания, приводящие к кратковременному размыканию контактов. Пример. Приготовленная для использования МРЖ структурно содержала дисперсную фазу - частицы ферромагнитные на основе частиц железа, ПЖР 3.200.28 (ГОСТ 98 49-86), размер частиц 200 мкм, мас. 73,0 . дисперсионная среда в виде трансформаторного масла, остальное или, мас.23,0. антисидементационные добавки, порошок аэросил - остальное. На токоподводящие электроды-магнитопроводы 3 через нагрузку н от источника подают напряжение н. При включении средства - наложения магнитного поля на токоподводящие электродымагнитопроводы 3 через устройство течет электрический ток н. Для управления режимами включениевыключение средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью его ориентации относительно токопроводящих элементов в диапазоне 0, при этом ток нагрузки имеет максимальное значение, ячейка 4 366 включена средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью его ориентации относительно токопроводящих элементов в диапазоне 90, ток нагрузки равен нулевому значению, ячейка отключена. В зависимости от сферы использования управление включением-выключением электрических цепей можно производить путем, когда средство наложения магнитного поля может быть выполнено с возможностью переключения путем воздействия на наполняющую среду разнополярностью, при этом ток нагрузки имеет максимальное значение, ячейка включена, и путем, при котором средство наложения магнитного поля выполнено с возможностью переключения воздействием на наполняющую среду монополярностью (- ), ток нагрузки равен нулевому значению, ячейка отключена. Для воздействия управляющим сигналом по заданному закону в устройстве средство наложения магнитного поля может осуществлять работу с возможностью изменения скорости наложения магнитного поля на наполняющую среду или с возможностью изменения напряженности магнитного поля. Сравнительные испытания заявленного и известного устройства показывают, что в момент размыкания устройства по прототипу по фиг. 7 на индуктивной нагрузке в системе координат напряжение электрического импульса - временной интервал, наблюдается скачкообразное, лавинное нарастание напряжения электрического импульса в отрицательную область напряжения, противоположное по знаку подведенному напряжению, что на практике сопровождается зажиганием дуги на воздухе в интервале 30-90 В. Момент же размыкания устройства по фиг. 8 по изобретению на индуктивной нагрузке в системе координат напряжение электрического импульса - временной интервал, наблюдается плавный переход ЭДС самоиндукции к нулевому значению, что соответствует полному исключению зажигания дуги в любой среде. При работе заявленного устройства индукция магнитного поля изменяет сопротивление ячейки и, следовательно, тока, текущего через нее. Эта зависимость является нелинейной функцией индукции магнитного поля, сопротивление ячейки тем меньше, чем больше индукция магнитного поля. Модификации заявленного устройства практически могут быть спроектированы до 1000-4500 переключений выключателя при изменении силы тока от 0,07-50 А до 4000 А. Промышленное использование изобретения в различных областях техники и промышленности, где важно осуществлять управление включением электрических цепей без возникновения электрической дуги в контактной группе. Источники информации 1. Хольм Р. Электрические контакты. - М. Иностранная литература, 1961. - С. 45-48. 2. Патент 5969928, Н 02 Н 5/04, 1999. 3. Рагульскис К.М. Вибротехника-9 Проспект разработок. - Каунас, 82.01.20. - С. 38-39 (прототип). Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 6